JP5531594B2

JP5531594B2 - ピストンの製造方法

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Publication number: JP5531594B2
Application number: JP2009280592A
Authority: JP
Inventors: 崇司笹嶋; 大作澤田; 栄一神山; 英男山下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: JP2011122509A

Description

この発明は、ピストンの製造方法に関し、より詳細には、ピストン頂面に断熱材を設けるためのピストンの製造方法に関する。

従来、例えば特許文献１には、ピストン頂面に、所定の割合で気孔が形成されたチタン系合金の焼結材を設けたピストンが開示されている。内燃機関の構造部材に断熱材を使用すると、構造部材による冷却損失が低減され、熱効率を上昇させることができる。また、断熱材に気孔が形成されていれば、一般的な構造部材よりも比較的小さい空気の熱伝導率を利用できる。したがって、上記焼結材をピストン頂面に配置した特許文献１のピストンによれば、内燃機関の断熱性能を向上させることができる。

特開２０００−１８６６１７号公報

ところで、内燃機関の構造部材に対しては、その断熱性能の更なる向上が求められている。このための一つの手段として、構造部材の断熱材により多くの気孔を形成し、断熱材の空孔率を増加させることが挙げられる。断熱材の空孔率を増加させれば、上述したように、空気の低い熱伝導率をより一層利用できる。しかしながら、その一方で、断熱材の構造自体が脆くなるという問題がある。

上記特許文献１では、溶射や鋳込みといった方法で焼結材をピストン頂面に設けている。このうち、溶射による方法とは、具体的に、ピストン頂面の凹部に焼結材を配置し、その上方からチタン合金の溶液を吹き付ける方法である。しかしながら、この方法は、せっかく形成した空孔がチタン合金の溶液によって塞がれてしまい、空孔の構造が消失してしまう可能性が高い。このため、空孔率を増加させた焼結材を使用する場合、上記溶射による方法は、その適用に困難を伴う。また、鋳込みによる方法とは、具体的に、焼結材を製造した後に型に入れて、更に、その中に高温で溶融したアルミニウム合金を流し込んで凝固させ、焼結材とアルミニウム合金とを結合させる方法である。しかしながら、この方法は、焼結材の厚みが数ミリメートル以上という比較的厚みを有する場合にしか適用できず、これよりも薄い焼結材を用いる場合には適用できない。したがって、焼結材をピストン頂面で一体焼成することが考えられる。しかしながら、焼結材の焼結温度は一般に、アルミニウム合金の耐熱温度よりも高い。加えて、焼結時には焼結材とアルミニウム合金の界面に熱応力が作用する。これらのことから、焼結材をピストン頂面で一体焼成することは困難であった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、空孔率が高く薄い断熱材をピストン頂面に設けることが可能なピストンの製造方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、ピストンの製造方法であって、
球状メソポーラスシリカの前駆体を調製する第１工程と、
加圧により前記前駆体からなる層を金属基材上にシート状に成形する第２工程と、
成形した前記前駆体層と前記金属基材とを一体的に焼成し、前記金属基材上に球状メソポーラスシリカの層を形成する第３工程と、
前記球状メソポーラスシリカ層が形成された前記金属基材と、ピストンの頂面部とを接合する第４工程と、を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記金属基材の耐熱温度は、前記ピストンの耐熱温度よりも高いことを特徴とする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記ピストンは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、
前記金属基材の熱膨張率が、前記ピストンよりも小さく前記球状メソポーラスシリカ層よりも大きいことを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明において、
前記第４の工程において、前記金属基材と前記ピストンの頂面部とは、接着剤、ねじ締結及び焼き嵌めの少なくとも１つの方法により接合されることを特徴とする。

第１〜第４の発明によれば、空孔率が高く薄い断熱材をピストン頂面に設けることができる。

ＭＳＳ粒子を説明するための図である。実施の形態の製造方法の流れを模式的に示す図である。第４工程の例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一又は相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

本実施形態に係る製造方法は、多孔質断熱材の前駆体を調製する工程（第１工程）、前駆体からなる層を金属基材上に形成する工程（第２工程）、前駆体層と金属基材とを一体的に焼成し、金属基材上に多孔質断熱材の層を形成する工程（第３工程）、多孔質断熱材層が形成された金属基材と、ピストンの頂面部とを接合する工程（第４工程）と、を備えている。

（第１工程）
本工程は、多孔質断熱材の前駆体と、反応性結合剤とを混合する工程である。ここで、多孔質断熱材の前駆体とは、例えば、ＭＳＳ（Mesoporous-Silica-Sphere；球状メソポーラスシリカ）粒子の前駆体である。

本実施形態に係る製造方法において、上記ＭＳＳ粒子の集合体が断熱材として用いられる場合について説明する。このＭＳＳ粒子の集合体について、図１を用いて説明する。図１に示すように、断熱材１０は、複数のＭＳＳ粒子１０ａと、その粒子間を接点で連結するように配置された接合材１０ｂとから構成されている。ＭＳＳ粒子１０ａは、その平均粒径が０．１〜３．０μｍであり、同時に、粒径の揃った粒子である。また、ＭＳＳ粒子１０ａには、ＭＳＳ粒子１０ａの中心部から表面部に向かって無数の細孔１０ｃが形成されている。細孔１０ｃの平均孔径は１〜１０ｎｍである。

上記のように、粒経が小さく、かつ、揃った複数のＭＳＳ粒子１０ａが、接合材１０ｂによって接点で連結されているため、ＭＳＳ粒子１０ａ同士を密に隙間無く積層できる。また、無数の細孔１０ｃがＭＳＳ粒子１０ａに形成されていることで、集合体としたときに７０％以上の高い空孔率を実現できる。これにより、この集合体を断熱材として用いたときに、０．５ｍｍ以下という極めて薄い厚さで優れた断熱性を達成できる。

ところで、空孔率が高く、厚みの薄い集合体を断熱材として用いる場合、ピストン頂面への接合時に、この断熱材が破損する不具合が生じやすい。このような不具合を解消するには、ピストン頂面で断熱材の前駆体を直接、ピストンと一体的に焼成する製造プロセスが必須となる。ところが、断熱材の前駆体は製造時、実際の最高使用温度よりも高い温度で焼成される必要がある。そのため、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金といったピストン用材料の耐熱温度が制約となり、ピストン頂面で直接焼成できない場合がある。

そこで、本実施の形態では、先ず、本工程で断熱材の前駆体を調製しておき、第２工程で金属基材上に形成し、これらを第３工程で一体的に焼成する。そして、その後に、ピストン頂面に接合することにしている。

ところで、本工程において、ＭＳＳ粒子１０ａの前駆体と混合される反応性結合剤は、ＭＳＳ粒子の表面同士を接点で結合可能な化合物であればよい。具体的には、ＭＳＳ粒子の表面のシラノール基と結合可能な官能基を有し、加熱により重合できる化合物である。このような化合物としては、例えば、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）や、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）が挙げられる。

また、本工程において、ＭＳＳ粒子１０ａの前駆体は、細孔１０ｃ内にマスキング物質が充填された状態で反応性結合剤と混合される。マスキング物質については、ＭＳＳ粒子１０ａの前駆体の調製（後述）の際に使用する界面活性剤がそのまま用いられることが好ましい。

続いて、図２を用いて、第２工程以降の流れを順に説明する。

（第２工程）
本工程は、第１工程を経て調製された断熱材１０の前駆体を、金属基材１２の上にシート状に配置する工程である。具体的には、図２に示すように、断熱材１０の上にプレッサ１４を配置し、プレッサ１４の上部から加圧する。こうすることで、断熱材１０に一定の面圧を印加してシート状に成形する。ここで、プレッサ１４の加圧の程度は、目的とする断熱材１０の厚みの程度や断熱材の成形圧に応じて適宜変更できる。

本工程に用いられる金属基材１２は、その熱膨張率が断熱材１０の熱膨張率よりも大きいことが好ましい。同時に、後述するピストン１６の熱膨張率よりも小さいことが好ましい。本実施形態に係る製造方法によれば、ピストン１６の上方に金属基材１２を配置させ、金属基材１２の上方に断熱材１０を配置させることができる。つまり、金属基材１２は、中間に配置される。中間に配置されれば、機関温度の上昇時や下降時に、上下から熱応力を受けることになる。このため、金属基材１２の熱膨張率を上下の熱膨張率の中間とすることが好ましい。

また、金属基材１２の熱膨張率と断熱材１０の熱膨張率との差は、小さく設計されることが好ましい。後述する第３工程では、断熱材１０と金属基材１２とを一体的に焼成し、その後に冷却する。その際、これらの間に熱膨張率に大きな違いがあると、変位の差から残留応力が生じ、断熱材１０の剥がれや割れの原因となる。このため、両者の熱膨張率の差を小さく設計することで、残留応力を緩和させて接合状態を良好に保つことができる。

また、金属基材１２は、後述する第３工程の際に高温で加熱されることから、十分な耐熱性を有する金属であることが好ましい。耐熱性を有する金属としては、例えばチタンが挙げられる。本工程に用いられるプレッサ１４は、相手側の形状に合わせて加圧することのできる柔軟な材料である、例えばゴムのような材料であることが好ましい。

（第３工程）
本工程は、加圧後の断熱材１０を、金属基材１２と一体的に焼成して、金属基材１２上に断熱材１０の層を形成する工程である。本工程においては、複数の反応が同時に進行する。具体的には、反応性結合剤が重合して接合材１０ｂとなり、ＭＳＳ粒子１０ａの各粒子を接点で結合する反応と、ＭＳＳ粒子１０ａが、直接又は接合材１０ｂを介して間接的に金属基材１２と結合する反応と、細孔１０ｃ内に充填されたマスキング物質が除去される反応とが同時に進行する。反応が同時に進行することで、断熱材１０の形成と、断熱材１０と金属基材１２との結合とが効率的に行われる。

図２に示すように、上記の反応は、大気中又は不活性雰囲気下において、５００℃で６時間加熱することにより行われる。上記の反応条件は、本工程は、金属基材１２、反応性結合剤、マスキング物質の種類などに応じて最適な焼成温度、時間等を選択できる。反応後、所定の時間冷却を行うことで、図１の構造を有する断熱材１０の層が金属基材１２の上に形成される。

（第４工程）
本工程は、断熱材１０の層が形成された金属基材１２と、ピストン１６の頂面部とを接合する工程である。本工程の具体例については、図３を用いて説明する。

図３（Ａ）に示す方法は、断熱材１０の層が形成された金属基材１２を、接着剤１８を介してピストン１６の頂面と接合する方法である。本方法に用いられる接着剤１８は、金属基材１２と、ピストン１６の頂面とを接合可能な接着材料であれば特に限定されない。また、同図（Ｂ）に示す方法は、断熱材１０とピストン１６の頂面とをネジ部２０で嵌合する方法である。更に、同図（Ｃ）に示す方法は、ピストン１６の頂面を予め切削加工しておき、断熱材１０の層が形成された金属基材１２を、焼き嵌めによって止着する方法である。

上記図３（Ａ）〜（Ｃ）いずれの方法においても、断熱材１０の下層に金属基材１２が設けられていることで、接合時に断熱材１０を破損することなくピストン１６に接合できる。また、金属基材１２の熱膨張率が、断熱材１０の熱膨張率及びピストン１６の熱膨張率の中間にあることで、ピストンの製造時や、内燃機関の運転時における各部材の良好な接合状態を維持できる。

次に、ＭＳＳ粒子１０ａの前駆体の製造方法について簡単に説明する。ＭＳＳ粒子１０ａの前駆体は、シリカ原料と界面活性剤とを含む原料を溶媒中で混合し、所定の温度条件下で反応させて製造する。界面活性剤としては、例えば、オクタデシルトリメチルアンモニウムクロリド（Ｃ_１８ＴＭＡＣｌ）及びトリメチルベンゼン（ＴＭＢ）を用いるが、このＣ_１８ＴＭＡＣｌを単独で用いてもよく、他の有機物、例えばフルフリルアルコールを用いてもよい。

１０断熱材
１０ａ粒子
１０ｂ接合材
１０ｃ細孔
１２金属基材
１４プレッサ
１６ピストン
１８接着剤
２０ネジ部

Claims

球状メソポーラスシリカの前駆体を調製する第１工程と、
加圧により前記前駆体からなる層を金属基材上にシート状に成形する第２工程と、
成形した前記前駆体層と前記金属基材とを一体的に焼成し、前記金属基材上に球状メソポーラスシリカの層を形成する第３工程と、
前記球状メソポーラスシリカ層が形成された前記金属基材と、ピストンの頂面部とを接合する第４工程と、
を備えることを特徴とするピストンの製造方法。
前記金属基材の耐熱温度は、前記ピストンの耐熱温度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載のピストンの製造方法。
前記ピストンは、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、
前記金属基材の熱膨張率が、前記ピストンよりも小さく前記球状メソポーラスシリカ層よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のピストンの製造方法。
前記第４の工程において、前記金属基材と前記ピストンの頂面部とは、接着剤、ねじ締結及び焼き嵌めの少なくとも１つの方法により接合されることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載のピストンの製造方法。